天然河流的河床往往由各种各样的床面形态组成。如山区河流中,河床底质主要为卵砾石,床面形态表现为由大卵石组成的满天星式床面结构和阶梯-深滩床面结构。而在平原河流中,河床底质主要为沙质,床面形态的表现形式主要为凹凸不平的粗糙床面和具有沙波形态的沙波床面。床面形态对于近床的水流流速、流速脉动以及涡结构均有较大的影响,进而会影响由水流条件控制的床面泥沙运动。全面、精确掌握各种床面形态上泥沙的输移过程,对于河流稳定性、生物多样性、航运安全性以及水工建筑物安全性至关重要。本文基于已有的大涡模拟计算框架,开发了推移质输移模型、悬移质输移模型和河床变形模型,对山区河流段卵石床面水流结构、推移质输移进行了模拟,对平原河流段沙质床面悬移质输移、床面形态演变过程进行了模拟,揭示了回流区等空间因素以及床面紊动事件、涡结构等时间变量对于泥沙输移和沙波形成的影响机理。在卵砾石床面泥沙输移方面。首先通过大涡模拟水动力计算模型,展现了山区河流卵石床面复杂流动的三维性。研究表明卵石阻碍近床流速,形成回流区,造成床面切应力的不均匀分布;产生频率不相同的顶部发卡涡和底部间隙涡两种涡结构,影响近床水流脉动;增加透水床面与主槽中的水流交换,进而增强下游横向二次流,影响下游的平均流场、涡结构输移。其次通过大涡模拟推移质计算模型,研究了卵石引起的局部推移质输移现象。结果表明,卵石四周推移质输移率变化较大。以近床流速作为推移质输移的控制因素,卵石四周推移质输移可分为回流减弱区及侧面增强区;以床面切应力作为推移质输移的控制因素,卵石四周推移质输移可分为回流减弱区、上游增强区、侧面增强区以及间隙涡增强区;以喷射周期作为推移质输移的控制因素,卵石下游的推移质输移则会被大大抑制。在沙质床面泥沙输移方面。首先通过大涡模拟悬移质计算模型,研究了悬移质泥沙的净冲刷和长距离输移过程。发现在泥沙起悬的过程中,局部粗糙高度、垂向流速和沿流向涡结构起到较为重要的作用。此后研究了宽深比对于泥沙起悬的影响,发现宽深比不同,平均流速分布、二次流分布以及切应力分布均会受到影响,泥沙的起悬量随宽深比降低而增加。其次通过大涡模拟河床变形模型,重演了三维沙波的发展过程。提出了微沙纹形成的三个时间过程,揭示了近床水流在其中起到的关键作用,重演了局部沙波形成过程中的展向延伸和纵向衍生现象。